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本文以铝合金半固态加工过程中的凝固组织控制为目标,以自主研发的自孕育工艺对A356铝合金铸造组织的细化为切入点,探讨自孕育法各参数在铝合金晶粒细化中的本质作用及细化机理。结合半固态流变成形快速制备A356铝合金半固态浆料,研究浆料组织的球化机理及水淬过程中剩余液相的凝固行为。而后将制浆与成形相结合,深入分析浆料不同属性对A356铝合金流变压铸组织、凝固行为及力学性能的影响。并通过控制不同冷却条件,探究A356铝合金半固态浆料在非平衡凝固及近平衡凝固条件下的凝固行为。研究结果系统的揭示了A356铝合金半固态浆料的二次凝固过程,为工业实践采用半固态成形技术获得良好组织和精密零件提供理论和实验依据。对优化半固态成形工艺设计、提高金属半固态成形件力学性能具有一定的指导意义。主要结论如下:将自孕育剂加入熔体后浇注,或将熔体流经导流器后浇注均能有效的细化A356铝合金凝固组织。而将二者相结合的自孕育工艺对组织的细化效果更显著,不仅能够获得细小的球状或近球状的初生α-Al组织,而且对共晶组织也有一定的细化效果,使共晶组织由层片状转变为块状。这种细小的非枝晶组织有利于晶间液相的流动,因此获得的组织更加均匀。自孕育浇注过程中熔体处理温度、自孕育剂加入量及导流器角度都会显著影响A356铝合金铸造组织,且三者相互影响,密切相关。就A356铝合金浇注过程的组织细化而言,三者的最佳交互参数为:熔体处理温度为680℃,自孕育剂加入量为5%,导流器角度为45o。采用自孕育法制备A356铝合金半固态浆料时,随熔体处理温度的降低,浆料中初生α-Al晶粒的体积分数和形状因子均逐渐增大。浆料等温保温过程中,初生α-Al晶粒尺寸逐渐增大,其长大速率均符合Dt3-D03=Kt动力学方程,且粗化速率常数K随固相体积分数的增大而增大。保温时间较短时初生α-Al晶粒形貌逐渐圆整化,保温时间过长时初生α-Al晶粒之间发生合并长大而形成“8”字状或梭状,因此浆料保温过程中初生α-Al晶粒的长大是合并长大和Ostwald熟化共同作用的结果。经不同保温时间的浆料水淬二次凝固组织也明显不同。保温3min时的浆料水淬组织中二次α-Al晶粒细小、圆整,且依附于初生α-Al晶粒生长的二次α-Al晶粒较少,而且尺寸较小。进一步说明二次α-Al晶粒的形貌受初生α-Al晶粒形貌的影响较大,侧面反映出保温3min时浆料组织的温度场和浓度场较为均匀。随着浆料保温温度的升高,剩余液相的体积分数增大,水淬后形成的二次α-Al晶粒数目逐渐增多,使共晶反应区域逐渐减小,因而限制了共晶反应,使最终凝固的共晶组织排列较为紧密。相比A356铝合金液态压铸中的树枝晶组织,自孕育流变压铸组织中初生α-Al晶粒较为细小、圆整。浆料充型后形成的二次α-Al晶粒较液态压铸时形成的激冷晶亦细小、圆整。采用自孕育流变压铸可以显著改变A356共晶组织的形貌,使其由液态压铸时的块状和片层状转变为珊瑚状和纤维状。浆料保温时间对流变压铸过程中剩余液相的凝固组织影响不大。但随着保温温度的升高,压铸组织中初生α-Al晶粒固相体积分数逐渐减小,单位面积内的二次α-Al晶粒数目逐渐增加而导致合并现象加剧,使二次α-Al晶粒尺寸逐渐增加。而且共晶组织也随保温温度的升高而愈加粗化。压铸过程中初生α-Al晶粒和二次α-Al晶粒都由稳定生长逐渐过渡到失稳生长。部分初生α-Al晶粒周围形成细小的“胞状”或“齿状”凸起,二次α-Al晶粒由球状逐渐变得不规则。测得二次α-Al晶粒保持稳定生长的极限尺寸为6.5μm。压铸圆盘不同部位组织也存在差异。具体表现为:随充型距离的增加,初生α-Al晶粒和二次α-Al晶粒尺寸和形状因子逐渐减小,共晶硅间距逐渐减小。与液态压铸相比,自孕育流变压铸能够显著提高A356铝合金力学性能。其抗拉强度由244.16MPa提升至274.11MPa,延伸率也由5.26%提升至7.47%。而且半固态流变压铸件抗拉强度和延伸率均随浆料保温时间的增加呈先增大后减小的变化趋势,在3min时达到最大值。性能产生差异是由浆料固相体积分数、铸件显微组织及内部缺陷共同作用的结果。在非平衡凝固条件下,不同成形方式下的半固态流变成形过程主要受模具提供的不同冷却速率的影响。随着冷却速率的降低,初生α-Al晶粒组织逐渐粗化,甚至出现合并长大现象,因此其形状因子也逐渐增大。二次α-Al晶粒尺寸逐渐增大,形状因子逐渐减小,且单位面积内的二次α-Al晶粒数目逐渐减少,共晶Si层片间距逐渐增大。二次α-Al晶粒尺寸?D与冷却速率Gv之间近似满足?=73.812-0.35的关系。在近平衡凝固条件下,由于冷却速率较慢,剩余液相中无法独立形核,因此半固态浆料的凝固主要是初生α-Al晶粒稳定生长和共晶反应。在浆料随炉冷却至室温的过程中,Mg元素完全迁移至晶内并与晶内过饱和的Si元素结合共同析出细小针状组织。通过对比浆料水淬、压铸、金属型、砂型以及随炉冷却过程中剩余液相的凝固组织发现,在一定的冷却速率下,浆料保温时间和保温温度对成形件的二次凝固组织有显著的影响。二次凝固组织较一次凝固组织细小,可以降低铸件整体晶粒尺寸,从而在理论上提高铸件力学性能。加之对二次α-Al晶粒形态的控制,可以有效降低铸件内部由于剩余液相凝固时产生的缺陷。因此除了增加铸型冷却速率外,还可以通过控制制浆时的保温参数实现对半固态成形件整体组织的控制,进而优化合金凝固组织,最终提高合金半固态成形件的综合力学性能。